Современное состояние моделирования и оптимизации лесных дорог

УДК

DOI:

Аннотация

Проведен обзор достижений и возможностей использования современных методов моделирования и оптимизации при автоматизированном проектировании дорожных сетей и лесных дорог. Выбор методов оптимизации позволит повысить эффективность в принятии решений по планированию и организации дорожного строительства. В обзор включены как отечественные, так и зарубежные разработки, в которых отмечены общие тенденции развития и отличительные особенности. Рассмотрены существующие подходы и стадии проектирования, а также уровни планирования лесных дорог. Приведены модели пространственных данных - векторная и растровая, которые лежат в основе моделирования транспортных сетей. В зависимости от стадии проектирования выделены основные задачи оптимизации автомобильных дорог, для решения которых перечислены две используемые категории методов: точные и эвристические. По методам оптимизации при- ведены примеры решаемых задач. Показано, что самыми распространенными методами оптимизации транспортных сетей являются метод кратчайшего пути и алгоритм минимального покрывающего дерева. Они лежат в основе поиска оптимальной транспортной сети на графах, успешно реализованных при решении транспортных задач на среднесрочную и краткосрочную перспективу и для небольших территорий. На основе выполненного анализа выделена классификация моделей лесных дорог. Сделаны выводы, что при стратегическом планировании актуальным является использование методов многокритериальной оптимизации и пространственного анализа на базе геоинформационной системы. Предложена система управления лесными дорогами, которая будет включать следующие основные блоки: информационный, модельный, оптимизационный и визуализационный. Эффективность системы будет зависеть от выработки долгосрочной стратегии и оптимизации основных лесных дорог, а также обеспечения взаимосвязи подбора лесосечного фонда и перспективных календарных планов ввода запроектированных генеральной схемой участков автомобильных дорог. В зависимости от уровня планирования возможно использование нескольких методов оптимизации.

Сведения об авторах

Л.Я. Громская, канд. техн. наук, доц. 

М.В. Симоненков, асп.

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова, пер. Институтский, д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021;  е-почта: gromskaya.stl@gmail.com

Ключевые слова

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антонова Т.С. Обоснование методики размещения лесосек и транспортного освоения лесов лесозаготовительного предприятия на базе геоинформационных си- стем : дис ... канд. техн. наук. СПб .: СПбГЛТУ, 2012. 170 с.

2. Герасимов Ю.Ю., Соколов А.П., Катаров В.К . Разработка системы оптимального проектирования сети лесовозных дорог // Инф. технологии. 2011. № 1. С. 39-44.

3. Герасимов Ю.Ю., Сюнёв В.С., Соколов А.П . Алгоритмы определения оптимальных маршрутов на графах для решения задач управления системами транспор- тировки древесины для лесопромышленного комплекса и биоэнергетики // Тр. лесо- инж. ф-та ПетрГУ. 2010. Вып. 8. С. 30-33. (С 2013 г. Ресурсы и технологии).

4. Кукин В.Д., Кузина В.И . Реализация концепции очередности освоения лесосырьевой базы в системе ШТАЙН // Методы математического моделирования и информаци- онные технологии: тр. ИПМИ Карел. НЦ РАН. Вып. 1. Петрозаводск, 1999. С . 169-174.

5. Мохирев А.П. Обоснование проектирования сети лесных дорог на примере предприятий Нижнего Приангарья : дис. ... Канд. техн. наук. Красноярск, 2007. 176 с.

6. Мохирев А.П., Дрягин В.В. Географическая информационная система для управления лесопользованием «Лес-оптима»: а.с. № 2012612350 РФ. № 2012610059; заявл. 10.01.12; зарег. 05.03.2012. 1 с.

7. Мохирев А.П., Егармин П.А . Географическая информационная система пла- нирования оптимального освоения лесного фонда // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 4 (12). С. 172-177.

8. Рожин Д.В. Обоснование комплекса ремонтно-строительных мероприятий сети лесовозных дорог лесозаготовительного района: автореф. дис. ... Канд. техн. наук. Петрозаводск, 2012. 21 с.

9. Соколов А.П., Герасимов Ю.Ю . Система поддержки технологий по произ- водству и логистике древесного топлива: алгоритмы и оптимизация // Хвойные бореальной зоны. 2013. Т. 31, № 1. С. 208-214.

10. Соколов А.П., Сюнёв В.С., Герасимов Ю.Ю., Каръялайнен Т. Оптимизация логистики // лесозаготовок ресурсы и технологии. 2012. № 9 (2). С. 117-128.

11. Абди Е., Majnounian Б., Darvishsefat А., Mashayekhi З., Сессии J . ГИС-MCE ориентированная модель планирования лесных дорог // Журнал лесоведения РАН. Том 55 (4). П. 171-176.

12. Акай . Новая методика в проектировании лесных дорог // Турецкий J. агропром. Форматиро- оценка. 2004. Vol. 28. P. 273-279.

13. nderson А., Нельсон Дж, Д'Эон Р. Определение оптимального класса дорог и дорожных умень- стратегии активации с использованием динамического программирования // Canadian J. лесных исследований. 2006. Vol. 36. P.1509-1518.

14. Андерсон А., Нельсон Дж  Проектирование вектор на основе дорожной сети с кратчайшей алгоритма // Canadian J. лесных исследований. 2004. Vol. 34. P. 1444-1457.

15. Aruga K . Табу поисковая оптимизация горизонтальных и вертикальных рядов леса // J. дороги Лесных исследований. 2005. Vol. 10. P. 275-284.

16. Chung W. SNAP для ArcGIS // A Планирование и программа сетевого анализа для Тактическое планирование урожая. 2010.

17. Chung W., Дикстра DP, Бауэр Ф., О'Брайен С.А., Abt RM, Сессии J. Руководство пользователя к SNAP для ArcGIS®: ArcGIS интерфейс для планирования и сетевого анализа программы. Лесная служба МСХ США PNW-GTR-847. 2012. 34 с.

18. Chung W., J. Сессии NETWORK 2000: программа для оптимизации на фиксированной и Хармони iable стоимости транспортных систем // Труды восьми симпозиум по системам анализа в области лесных ресурсов. Kluwer Press, 2000.

19. Chung W., J. Сессии Проектирование сети лесных дорог с применением эвристических методов оптимиза- вания // Proc. 24 - го заседания Совета лесоинженерного, июль 15-19. снегоступах, Западная Вирджиния, 2001.

20. Chung W., J. Сессии NETWORK 2001 - Планирование транспортировки в соответствии с целями мульти- PLE / П. SCHIESS и Ф. Krogstad (Eds . ) // Материалы Международной деленного Logging и 11 - Гор Тихоокеанского Северо - запада Skyline симпозиума 10 декабря -12. Сиэтл, Вашингтон, 2001.

21. Кларк М., Меллер Рассел Д., Макдональд TP Трехступенчатый эвристический для гар- планирования жилет с развитием дорожной сети доступа // Лесная наука. 2000. Vol. 46 (2). П. 204-218.

22. Эпштейн Р., Вайнтрауб А., Sapunar П., Ньето Е. Сессии J., Сессии Ф., Busta-Mante Ф., Musante Х. Комбинаторное эвристический подход к решению реального размера местоположение машины и проектирование дорог проблемы в планировании лесного хозяйства // Анналы исследования операций. 2006. Vol. 54 (6). П. 1017-1027.

23. Frayret Ж.-М., Meignan Д., Pesant G. Система планирования Интерактивная для строительства лесных дорог // Международная конференция по информационным системам, логистики и цепочки поставок (ILS 2012), 26-29 августа. Квебек, Канада, 2012.

24. J Онг JC, Шонфельд П. Эволюционная модель для одновременной оптимизации трехмерных шоссе Разбивочные. Транспорт исследований. Часть B. 2003. Vol. 37. P. 107-128.

25. Liatsis П., Тауфик HM Двумерного Дорога Форма оптимизация Используя geNetic // Алгоритмы Математика и компьютеры в рамках имитации. 1999. Vol. 51. P. 19-31.

26. Lubello D. Правило на основе SDSS для комплексного планирования лесозаготовительной // Одноversita дельи Студи ди-Падова. 2008.

27. Мэн X. Дизайн ГИС Based лесной дороги макета и окружающей среды ОЦЕНКОЙ Tool: MS тезис. Университет Нью - Брунсвик, 2001.

28. Najafi А., Эвелин У. Ричардс . Проектирование сети лесных дорог с использованием смешанного Integer // Хорватская программирование J. лесоинженерного. 2013. Vol. 34 (1). P. 13.

29. Najafi А., Собхани Н, Saeed А., Makhdom М., Мохаджер М . Планирование и ОЦЕНКОЙ альтернативной лесной дороги и трелевочные сети // Хорватская J. лесоинженерного. 2008.Vol. 29 (1). П. 63-73.

30. Newnham RM ROADPLAN: инструмент для проектирования сети лесных дорог // Вестник Лесоинженерный. 1995. Vol. 6 (2). П. 17-26.

31. Пеллегрини M. Средства поддержки для планирования и управления лесной дороге сетью // Università дельи Студи ди - Падова. 2012.

32. Сайто М., Goshima М., Aruga К., Matsue К., Шуина Ю., Тасака Т. Исследование автоматических лесной Дизайн модели дорожного движения Учитывая Shallow Оползни с ЛИДАР ДАННЫМ Funyu Экспериментальный лес // Хорватская J. лесоинженерного. 2013. Vol. 34 (1). P. 1-15.

33. Шварц Дж, Stückelberger J. Вычислительный Нижние границы для деревьев Штейнера в дорожной сети Design // 7 - й Международный симпозиум по исследованию операций и ее применения (ISORA'08), 31 октября-Novemver 3. Лицзян, Китай, 2008.

34. Сессии J., Сессии JB . Планирование и анализ Программа Network (SNAP II): Руководство пользователя / Департамент лесного машиностроения, Университет штата Орегон. США, Corvallis,  ИЛИ, 1991.

35. Stückelberger JA . Оптимизации подход взвешенная-график для автоматического местоположениях ния дорожной сети лесных: Дис Nr 17366 / Eidgenössische Technische Hochschule ETH Zürich. Zürich, 2007. 127 с.

36. Stückelberger JA, Хейниманн HR, Burlet EC Моделирование пространственной изменчивости в стоимость жизненного цикла низкого объема лесных дорог // Европейский J. лесных исследований. 2006. Vol. 125. P. 377-390.

37. Stückelberger JA, Хейниманн HR, Chung W., Ulber M . Автоматическое networkplanning для дорожно нескольких целей // Совет по лесоинженерного: ежегодной конференции, Coeur d'Alene, MT, США / ЕDS. W. Чун и HS Хан. США: Университет штата Монтана, 2006. С. 233-248.

38. Tan J. Определение местонахождения лесных дорог пространственным и Heuristc процедуры с использованием компьютеров Микро- // J. лесоинженерного. 1999. Vol. 10 (2). П. 91-100.

39. Тан J. Применение динамического программирования для оптимального размещения леса // J. Дорога лесоинженерного. 2000. С. 85-89.

40. Вайнтрауб А., церковь RL, Мюррей AT, Гиньяр М. Forest Management Модели и алгоритмы комбинаторной: анализ состояние искусства // Анналы исследования операций. 2000. Vol. 96. P. 271-285.

41. Веинтроб А.П., Эпштейн Р., Мерфи Г., Мэнли Б. . Влияние окружающей среды Ограничения на короткий срок уборки: Использование инструментов планирования и математических моделей // Анналы исследования операций. 2000. Vol. 5. С. 41-66.

18.04.16 Поступила

Ссылка на английскую версию:

UDC 625.711.84

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.5.108

Current Status of Modeling and Optimization of Forest Roads

L.Ya. Gromskaya, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

M.V. Simonenkov, Postgraduate Student

Saint Petersburg State Forest Technical University under name of S.M. Kirov, Institutskiy pereulok, 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation;

е-mail: gromskaya.stl@gmail.com

The paper presents the achievements and opportunities of using modern modeling and opti- mization methods in the automated design of road networks and forest roads. The selection of optimization techniques will improve the efficiency of decision-making for the planning and organization of road construction. The survey includes both domestic and foreign de- velopments with the general trends and distinctive features. The paper considers the existing approaches, design stages and the levels of forest road planning. Vector and raster spatial data models, which are the base of road networks modeling, are introduced. The main high- ways design optimization problems are highlighted depending on the process phase. Sol u- tion methods are listed in two categories – the exact and heuristic along with problems- solving examples. The most common methods of transport networks optimization are the shortest path method and the minimum spanning tree algorithm. They form the base of the search process of optimal transport network on graphs, successfully implemented in solving transport problems in the medium and short terms, and for small areas. On the basis of the analysis the classification of forest roads models are highlighted. It is concluded that the use of multi-criteria optimization methods and spatial analysis based on the geographic infor- mation system is actual for strategic planning problems. The paper proposes the creation of forest roads management system with four main units: informational, modeling, optimiza- tion and visualization. The effectiveness of the system will depend on the development of long-term strategy and optimization of the main forest roads, as well as the supporting of the selection relationship of cutting fund and prospective schedule of putting into operation of road sections projected by the general scheme. Several optimization techniques depending on the level of planning can be used.

Keywords: forest roads, road network, logging, forest transport infrastructure planning, for- est road design, modeling and optimization method.

REFERENCES

1. Аntonova T.S. Obosnovanie metodiki razmeshcheniya lesosek i transportnogo osvoeniya lesov lesozagotovitel'nogo predpriyatiya na baze geoinformatsionnykh system: dis. … kand. tekhn. nauk [Justification of a Technique of Cutting Areas Allocation and Transport Forest Exploitation of a Logging Enterprise Based on the GIS: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Saint Petersburg, 2012. 170 р.

2. Gerasimov Yu.Yu., Sokolov A.P., Katarov V.K. Razrabotka sistemy optimal'nogo proektirovaniya seti lesovoznykh dorog [Development of the Optimal Design System of the Forest Roads  Network]. Informatsionnye tekhnologii [Information Technologies], 2011, no. 1, pp. 118–124.

3. Gerasimov Yu.Yu., Syunev V.S., Sokolov A.P. Algoritmy opredeleniya  opti- mal'nykh marshrutov na grafakh dlya resheniya zadach upravleniya sistemami  trans- portirovki drevesiny dlya lesopromyshlennogo kompleksa i bioenergetiki [Algorithms for Optimal Routes Determination on Graphs for the Control Solution of Timber Transport Sys- tems for the Timber Industry and Bioenergy]. Trudy lesoinzhenernogo Fakul'teta PetrGU, 2010, no. 8, pp. 30–33.

4. Kukin  V.D.,  Kuzina  V.I.  Realizatsiya  kontseptsii  ocherednosti  osvoeniya lesosyr'evoy bazy v sisteme STEIN [Implementation of the Concept of Development Priori- ty of Forest Resources in the STEIN]. Metody matematicheskogo modelirovaniya i infor- matsionnye tekhnologii: trudy Karel'skogo nauchnogo tsentra RAN [Methods of Mathemati- cal Modeling and Information Technologies: Transactions of Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences], 1999, no. 1, pp. 169–174.

5. Mokhirev A.P. Obosnovanie proektirovaniya seti lesnykh dorog na primere predpriyatiy Nizhnego Priangar'ya: dis. … kand. tekhn. nauk [Justification of the Forest Road Network Design on the Example of the Enterprises of the Lower Angara Region: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Krasnoyarsk, 2007. 176 p.

6. Mokhirev A.P., Dryagin V.V. Geograficheskaya informatsionnaya sistema dlya upravleniya  lesopol'zovaniem   “Les-optima”   [Geographic   Information  System  “Les- Optima” for Forest Management]. Certificate of authorship RF, no. 2012612350, 2012.

7. Mokhirev A.P., Egarmin P.A. Geograficheskaya informatsionnaya sistema plani- rovaniya optimal'nogo osvoeniya lesnogo fonda [Geographic Information System of the

Forest Optimal Development Planning]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies], 2011, no. 4(12), pp. 172–177.

8. Rozhin D.V. Obosnovanie kompleksa remontno-stroitel'nykh meropriyatiy seti lesovoznykh dorog lesozagotovitel'nogo rayona: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Justifi- cation of the Complex of Repair and Construction Projects of the Forest Roads Network in a Cutting Area: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Petrozavodsk, 2012. 21 p.

9. Sokolov A.P., Gerasimov Yu.Yu. Sistema podderzhki tekhnologiy po proizvod-

stvu i logistike drevesnogo topliva: algoritmy i optimizatsiya [The Support System of Wood Fuel Production and Logistics Technologies: Algorithms and Optimization]. Khvoynye bo- real'noy zony [Conifers of the Boreal Area], 2013, vol. 31, no. 1, pp. 208–214.

10. Sokolov A.P., Syunev V.S., Gerasimov Yu.Yu., Kar"yalaynen T. Optimizatsiya logistiki lesozagotovok [Оptimization of Harvesting Logistics]. Resources and Technology,

2012, no. 9(2), pp. 117–128.

11. Abdi E., Majnounian B., Darvishsefat A., Mashayekhi Z., Sessions J. A GIS-MCE Based Model for Forest Road Planning. J. of Forest Science, 2009, vol. 55(4), pp. 171–176.

12. Akay A. A New Methodology in Designing Forest Roads. Turkish J. Agricul. Forest., 2004, vol. 28, pp. 273–279.

13. Anderson A., Nelson J., D’Eon R. Determining Optimal Road Class and Road

Deactivation Strategies Using Dynamic Programming. Canadian J. of Forest Research,

2006, vol. 36, pp. 1509–1518.

14. Anderson A., Nelson J. Projecting Vector-Based Road Networks with a Shortest

Path Algorithm. Canadian J. of Forest Research, 2004, vol. 34, pp. 1444–1457.

15. Aruga K. Tabu Search Optimization of Horizontal and Vertical Alignments of

Forest Roads. J. of Forest Research, 2005, vol. 10, pp. 275–284.

16. Chung W. SNAP for ArcGIS. A Scheduling and Network Analysis Program for

Tactical Harvest Planning, 2010.

17. Chung W., Dykstra D.P., Bower F., O’Brien S.A., Abt R.M., Sessions J. User’s Guide to SNAP for ArcGIS®: ArcGIS Interface for Scheduling and Network Analysis Pro- gram. USDA Forest Service PNW-GTR-847, 2012. 34 p.

18. Chung W., Sessions J. NETWORK 2000: a Program for Optimizing Fixed and Variable Cost Transportation Systems. Proc. of the 8th Symposium on Systems Analysis in Forest Resources. USA, Boston, 2003.

19. Chung W., Sessions J. Designing a Forest Road Network Using Heuristic Opti- mization Techniques. Proc. of the 24th Meeting of the Council of Forest Engineering, July

15–19. USA, Snowshoe, West Virginia, 2001.

20. Chung W., Sessions J. NETWORK 2001 – Transportation Planning Under Multi- ple Objectives. Ed. by P. Schiess and F. Krogstad. Proc. of the International Mountain Log- ging and 11th Pacific Northwest Skyline Symposium, December 10–12. USA, Seattle, WA,

2001.

21. Clark M.M., Meller Russell D., McDonald T.P. A Three-Stage Heuristic for Har- vest Scheduling with Access Road Network Development. Forest Science, 2000, vol. 46(2), pp. 204–218.

22. Epstein R., Weintraub A., Sapunar P., Nieto E., Sessions J., Sessions F., Busta- mante F., Musante H. A Combinatorial Heuristic Approach for Solving Real-Size Machin- ery Location and Road Design Problems in Forestry Planning. Annals of Operations Re- search, 2006, vol. 54(6), pp. 1017–1027.

23. Frayret J.-M., Meignan D,. Pesant G. Interactive Planning System for Forest

Road Construction. International Conf. on Information Systems, Logistics and Supply Chain (ILS 2012), August 26–29. Canada, Quebec, 2012.

24. Jong J.C., Schonfeld P. An Evolutionary Model for Simultaneously Optimizing Three-Dimensional Highway Alignments. Transportation Research, 2003, part B, vol. 37, pp. 107–128.

25. Liatsis P., Tawfik H.M. Two-Dimensional Road Shape Optimization Using Ge- netic Algorithms. Mathematics and Computers in Simulation, 1999, vol. 51, pp. 19–31.

26. Lubello D. A Rule-Based SDSS for Integrated Forest Harvesting Planning. Uni-

versità degli Studi di Padova, 2008.

27.  Meng X. Design of GIS Based Forest Road Layout and Environmental Assess- ment Tool: MS thesis. Canada, New Brunswick, 2001.

28. Najafi A., Evelyn W. Richards. Designing a Forest Road Network Using Mixed

Integer Programming. Croatian J. of Forest Engineering, 2013, vol. 34(1), p. 13.

29. Najafi A., Sobhani H., Saeed A., Makhdom M., Mohajer M. Planning and As- sessment of Alternative Forest Road and Skidding Networks. Croatian J. of Forest Engi- neering, 2008, vol. 29(1), pp. 63–73.

30. Newnham R.M. ROADPLAN: a Tool for Designing Forest Road Networks. J. of

Forest Engineering, 1995, vol. 6(2), pp. 17–26.

31. Pellegrini M. Support Tools for Planning and Management of a Forest Road

Network. Università degli Studi di Padova, 2012.

32. Saito M., Goshima M., Aruga K., Matsue K., Shuin Y., Tasaka T. Study of Au- tomatic Forest Road Design Model Considering Shallow Landslides with LiDAR Data of Funyu Experimental Forest. Croatian J. of Forest Engineering, 2013, vol. 34(1), pp. 1–15.

33. Schwartz J., Stückelberger J. Computing Lower Bounds for Steiner Trees in Road Network Design. The 7th International Symposium on Operations Research and Its Applications (ISORA’08), October 31–November 3. China, Lijiang, 2008.

34. Sessions J., Sessions J.B. Scheduling and Network Analysis Program (SNAP II): User's Guide. USA, Corvallis, OR, 1991.

35. Stückelberger J.A. A Weighted-Graph Optimization Approach for Automatic Lo- cation of Forest Road Network: Diss. no. 17366. Switzerland, Zürich, 2007. 127 p.

36. Stückelberger J.A., Heinimann H.R., Burlet E.C. Modelling Spatial Variability in

the Life-Cycle Costs of Low-Volume Forest Roads. European J. of Forest Research, 2006, vol. 125, pp. 377–390.

37. Stückelberger J.A., Heinimann H.R., Chung W.,  Ulber M. Automatic Road- Networkplanning for Multiple Objectives. Ed. by W. Chung, H.S. Han. Council on Forest Engineering: Annual Conference, Coeur d’Alene, MT, USA. USA, University of Montana,

2006, pp. 233–248.

38. Tan J. Locating Forest Roads by a Spatial and Heuristc Procedure Using Micro- computers. J. of Forest Engineering, 1999, vol. 10(2), pp. 91–100.

39. Tan J. Application of Dynamic Programming to Optimum Location of Forest

Road. J. of Forest Engineering, 2000, pp. 85–89.

40. Weintraub A., Church R.L., Murray A.T., Guignard M. Forest Management Models and Combinatorial Algorithms: Analysis of State of the Art. Annals of Operations Research, 2000, vol. 96, pp. 271–285.

41. Weintraub A.P., Epstein R., Murphy G., Manley B. The Impact of Environmental Constraints on Short Term Harvesting: Use of Planning Tools and Mathematical Models. Annals of Operations Research, 2000, vol. 5, pp. 41–66.